Sådan kan grafen forvandle lys til elektricitet

Fremtidens solceller vil sandsynligvis være langt mere effektive end i dag – og så vil de være lavet af vidunderstoffet grafen.

Det er der grund til at tro, efter at forskere nu har vist, hvordan man ved hjælp af grafen kan forvandle en enkelt lyskvant, den mindste form lys optræder i, til flere strømførende elektroner. Og skulle man være i tvivl, så er det et vigtigt skridt på vejen til at kunne bruge grafen i en solcelle.

Opdagelsen er gjort af et hold internationale forskere, der inkluderer danske Søren Ulstrup, postdoc ved Aarhus Universitet, Institut for Fysik og Astronomi.

»Grafen er et ultratyndt materiale – kun et atomlag tykt – hvor en elektronisk strøm kan ledes mange gange mere effektivt end i almindelig kobbertråd.«

»Nøglen til effektivt at forvandle lys til elektroner er at kombinere flere lag af grafen og udnytte den høje ledningsevne i hvert lag, samtidig med at man 'elektrondoper' grafenen,« fortæller Søren Ulstrup til Videnskab.dk.

LÆS OGSÅ: Top 5: Sådan kan grafen gøre underværker

Man har i nogle år vidst, at grafen potentielt kan bruges i solceller. Men det nye forskningsresultat viser, hvordan man mest effektivt kan forvandle lys – fotoner/lyskvanter – til en elektrisk strøm.

Ifølge forskerne skal tre ting skal være på plads:

1. Man skal lægge grafen i mange lag, hvilket er muligt, fordi det er så ekstremt tyndt.

»Opdagelsen viser, at ultratynde materialer, såsom grafen, kan vekselvirke med lys, og at dette påvirker elektronerne i materialet på fordelagtig vis.«

»Umiddelbart absorberer materialet ikke meget lys – absorptionen er 2,3 procent. Men ved at stable mange lag grafen på hinanden, kan man måske opnå endnu bedre udnyttelse af energien i lyset,« fortæller Søren Ulstrup.

LÆS OGSÅ: Så er det bevist: Grafen kan omdanne sollys til strøm

2. Man skal udnytte, at grafen kan lede elektroner utroligt effektivt.

»Det er en egenskab ved grafen, at det har en utrolig høj elektronmobilitet, og at det derved er en særdeles god leder« fortæller Søren Ulstrup.

3. Man skal 'elektrondope' grafenen. Elektrondoping vil sige, at man ændrer på antallet af elektroner i grafenen.

»Med doping menes der, at vi kemisk har enten tilført eller fjernet elektroner fra grafen. Hvis der er et underskud af elektroner i grafen, snakker man om hul-doping, idet de 'efterladte huller' dermed kan lede en strøm.«

»Modsat, hvis man har overskud af elektroner, er materialet elektron-dopet. Vores forsøg viser, at den effektive omdannelse af fotoner til flere elektroner først for alvor finder sted, hvis man elektron-doper materialet,« fortæller Søren Ulstrup.

LÆS OGSÅ: Syv egenskaber gør grafen til mirakelmateriale

Forsøget viste, at jo mere elektron-dopet grafen er, desto flere elektroner vil man kunne løfte til en højere energitilstand, når en lyskvant bliver absorberet – og jo større en strøm kan der produceres. Det foregår ved at:

1. En lyskvant rammer grafenen.

2. Det stimulerer en af grafenens elektroner, der løftes til en højere energitilstand.

3. Når elektronen i løbet af ganske kort tid helt automatisk falder tilbage til sin normale energitilstand, stimulerer det i gennemsnit tre andre elektroner. Det sker ved, at den ene elektron, med meget høj spænding, fordeler sin energi ud til tre andre elektroner.

4. På den måde skaber en enkelt lyskvant en lille elektrisk strøm.

Læs meget mere om processen og perspektiverne ved at bruge grafen i solceller i resten af artiklen på Videnskab.dk.